Электрическое поле против привычной механики
10 августа, 20:00
Источник: Interesting Engineering
Сотрудники Токийского университета науки создали систему, в которой более десяти тысяч коллоидных частиц под действием переменного электрического поля образуют пары с нарушенной симметрией и способны перемещаться в жидкости. Это прямо противоречит третьему закону Ньютона, требующему равенства действия и противодействия. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.
Для понимания важно, что законы классической механики рассматриваются здесь на микроуровне: в привычном нам макромире ньютоновская аксиома остаётся в силе.
Как проходил эксперимент
Профессора Ютака Сумино и Киваму Йосии использовали полистирольные частицы двух размеров — с радиусами 1 и 1,5 микрометра. Их поместили в воду, заключённую между прозрачными электродами. На протяжении часа с лишним исследователи фиксировали поведение частиц, включив переменное электрическое поле.
Под действием поля вокруг частиц возникали электрогидродинамические течения, интенсивность которых зависела от размера: крупные частицы создавали более мощные потоки и притягивали мелких соседей сильнее, чем мелкие притягивали их. В результате такого дисбаланса разноразмерные частицы собирались в асимметричные пары, у которых можно различить переднюю и заднюю части. По отдельности частицы не могли сдвинуться с места, но в паре вся конструкция становилась самодвижущейся.
Как отметил Ютака Сумино, созданная система служит управляемым примером невзаимной многочастичной физики: нарушение симметрии действия и противодействия вызывает коллективные эффекты.
Асимметричные пары в ходе наблюдений объединялись в скопления, которые затем распадались и формировались заново. Если же частицы были одного размера, их взаимодействие оставалось взаимным, и они складывались в неподвижные кристаллические структуры.
Полученные результаты помогают изучать коллективные процессы в материи и могут оказаться полезными для развития новых подходов в области материаловедения, биофизики и даже робототехники. По мнению авторов, обнаруженный механизм способен стать универсальным объяснением спонтанного возникновения динамического порядка в веществе — именно так Ютака Сумино описал значение работы. Это также подчёркивает ценность междисциплинарных исследований на стыке физики, химии и инженерии.
По словам Ютаки Сумино, эксперимент показывает: нарушение симметрии действия и противодействия может быть универсальным механизмом, объясняющим самопроизвольное возникновение динамического порядка в материи.